含碳捕集的虛擬電廠運(yùn)行分析

中圖分類號：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0081-04

Abstract：Theoperatingmodeofthevirtualpowerplantwithcarbon-containing capturesystemisexplored，and mathematicalmodelsarebuiltforkeyunitssuchastheelectrcity-to-gassystemandgasstorageequipmentofthevirtualpower plant，inordertoachieveoptimalschedulingandeficientoperationofthevirtualpowerplant.Thecarboncapturevirtualpower plantbasedonpost-combustioncapturetechnologyandelectric-togastechnologyrealizesthecouplingof thepowernetworkand thenaturalgasnetwork，whichcannotonlyreducethegassourcetransmisionpressreofnaturalgasbutalsoabsorbcarbon dioxidetoachieveenergyconservationandemissonreductionefects.Inviewoftheproblemoflowcarbondioxideutilization efciencyinthecombinedoperationofcarboncapturepowerplantsandelectritytogas，anoptimizationplantoaddcarbon storageeuipmentisproposed，whichcanautomaticallyadjustthestorageandreleaseofelectricalenergyandnaturalgas accordingtothepeakandvallyofelectricityconsumption，realizingthemulti-levelutilizationofenergy，reducingpolutant emissions，and taking into account economic and environmental benefits.

Keywords： carbon capture; flue gas diversion; virtual power plant; electricity to gas; environmental protection

碳捕集作為常用的低碳化技術(shù)，通常與電轉(zhuǎn)氣技術(shù)搭配使用。碳捕集設(shè)備獲取的二氧化碳，與電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)產(chǎn)生的甲烷混合后，作為機(jī)組運(yùn)行所需的燃料，在降低電廠發(fā)電成本的同時還能起到綠色低碳的環(huán)保效益。虛擬電場在電力資源的優(yōu)化配置、保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行等方面發(fā)揮了重要作用，在大力推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)背景下，虛擬電廠被廣泛應(yīng)用到電力系統(tǒng)中。在這一背景下，探究含碳捕集的虛擬電廠的運(yùn)行結(jié)構(gòu)與建模方法，對電力工業(yè)完成低碳減排目標(biāo)有積極幫助。

1碳捕集機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

碳捕集的原理是依托各種方法（如物理吸收法、化學(xué)吸收法、膜分離法等），獲取化石燃料在燃燒時生成的二氧化碳，同時將其儲存起來加以利用，避免直接排放二氧化碳帶來的溫室效應(yīng)等環(huán)境問題。根據(jù)二氧化碳捕獲時機(jī)的不同，又可分為燃燒前捕集、燃燒后捕集2種技術(shù)。對比來看，燃燒后捕集技術(shù)可用于不同化石燃料（如煤炭、天然氣）的碳捕集，同時具有收集過程簡單、設(shè)備改造成本低等優(yōu)勢，因此選擇該技術(shù)設(shè)計了碳捕集機(jī)組系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心設(shè)備有吸收塔、再生塔、換熱器等，結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

該系統(tǒng)的運(yùn)行可分為3個步驟。第一是“吸收”。煤炭燃燒過程中生成的煙氣經(jīng)排氣管道進(jìn)入吸收塔，經(jīng)過溶液吸收后成為二氧化碳濃度較高的富液，而不含二氧化碳的氣體可以從吸收塔頂部排氣孔直接排放。第二是“再生”。富液流入換熱器后實現(xiàn)分離，貧液重新回到吸收塔再次吸收煙氣中的二氧化碳，實現(xiàn)循環(huán)利用，富液則流入再生塔。二氧化碳?xì)怏w從再生塔頂部管道排入壓縮機(jī)。二氧化碳溶液流入再沸器和換熱器，實現(xiàn)二氧化碳的循環(huán)利用。第三是“壓縮”。使用壓縮機(jī)壓縮二氧化碳?xì)怏w后，將其儲存起來。

2碳捕集電場運(yùn)行方式

對比傳統(tǒng)火電機(jī)組，碳捕集機(jī)組的優(yōu)勢為低碳環(huán)保，但是也存在調(diào)節(jié)能力受限、靈活性差等缺陷。為了補(bǔ)齊這一短板，對碳捕集機(jī)電廠加以改造。改造方案有2套，其一是煙氣分流，即在原進(jìn)煙口處新增一條煙氣旁路;其二是新增富液罐和貧液罐2種儲液裝置2]。

2.1煙氣分流運(yùn)行

在火電機(jī)組與吸收塔之間新增一條帶有分流閥的煙氣旁路，通過調(diào)節(jié)分流閥的開啟程度控制進(jìn)入吸收塔（碳捕集設(shè)備）的二氧化碳量，從而實現(xiàn)對二氧化碳捕集量的實時控制。在該運(yùn)行模式下，火電機(jī)組運(yùn)行期間排放的二氧化碳有2種流向：一種直接進(jìn)入吸收塔，另一種則是進(jìn)入煙氣旁路，如圖2所示。由于煙氣旁路的二氧化碳可以直接排除，因此不會消耗能量。

2.2 儲液式運(yùn)行

在吸收塔和再生塔之間，新增一個由富液罐和貧液罐組成的儲液裝置，可以對吸收塔流出的富液，以及流向再生塔的富液的流量速率進(jìn)行靈活調(diào)控。在碳捕集電廣的運(yùn)行中，人為地加快富液罐的存儲速率或降低貧液罐的存儲速率，均可以達(dá)到增加二氧化碳捕集量的效果，如圖3所示。相比于煙氣分流運(yùn)行，儲液式運(yùn)行的優(yōu)勢在于不會產(chǎn)生對外排放的煙氣]。

3含碳捕集的虛擬電廠運(yùn)行分析

3.1“碳捕集電廠-電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)\"聯(lián)合運(yùn)行結(jié)構(gòu)

“碳捕集電廠-電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)”聯(lián)合運(yùn)行流程如下：電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)產(chǎn)生的天然氣存儲起來，當(dāng)碳捕集設(shè)備需要捕集二氧化碳時，將存儲的天然氣釋放出來，為碳捕集設(shè)備提供能量，從而減輕了碳捕集設(shè)備的運(yùn)行能耗。當(dāng)電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)在甲烷化處理時，將捕集的二氧化碳作為甲烷化的原材料，從而降低了成本。但是“碳捕集電廠-電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)”聯(lián)合運(yùn)行結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中存在時空不同步的問題，造成了二氧化碳的利用率不高。為了避免該問題，提出了一種增加儲碳設(shè)備的改良方案，在碳捕集系統(tǒng)的二氧化碳出口與電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)之間安裝儲碳設(shè)備，這樣在甲烷化處理時首先從儲碳設(shè)備中提供所需的二氧化碳，如果還有空缺則抽取空氣補(bǔ)足二氧化碳。

3.2 虛擬電廠設(shè)備聯(lián)合運(yùn)行結(jié)構(gòu)

為了做到能量的多級利用，以及進(jìn)一步減少污染排放量，設(shè)計了“風(fēng)電-光伏-碳捕集電廠-電轉(zhuǎn)氣\"聯(lián)合運(yùn)行虛擬電廠。其前端由風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，配合碳捕集技術(shù)和電轉(zhuǎn)氣技術(shù)將新能源產(chǎn)生的電能高效轉(zhuǎn)化成天然氣，并將天然氣儲存起來。聯(lián)合運(yùn)行虛擬電廠的結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

由圖4可知，該系統(tǒng)的輸入端有碳捕集電廠出力、風(fēng)電出力、光伏出力;輸出端為電負(fù)荷（電能）和氣負(fù)荷（天然氣）。另外，系統(tǒng)中還安裝了儲碳設(shè)備和儲氣設(shè)備，通過碳存儲可以避免碳捕集電廠與電轉(zhuǎn)氣設(shè)備時空不同步問題，利用氣存儲可以讓天然氣方便存儲和運(yùn)輸。聯(lián)合運(yùn)行虛擬電廠的工作流程如下。

在用電高峰期，用戶對電能和天然氣的需求較高，此時風(fēng)電、光電的出力全部上網(wǎng)，如果仍然不能滿足用電需求，空缺的部分由碳捕集電廠補(bǔ)上。在碳捕集機(jī)組投人運(yùn)行后，從煤炭燃燒過程中捕集二氧化碳，將其存儲到儲碳設(shè)備中。在用電低谷期，用戶對電能和天然氣的需求較低，風(fēng)電和光電的上網(wǎng)功率較大，新能源發(fā)電在滿足用戶需求的同時還能有一定的盈余。此時電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)投入運(yùn)行，利用多余的風(fēng)電、光電消耗儲碳設(shè)備中存儲的二氧化碳，將二氧化碳轉(zhuǎn)化成天然氣，并將天然氣存儲到儲氣設(shè)備中。進(jìn)入下一個用電高峰期后，儲氣設(shè)備釋放出天然氣，為燃?xì)鈾C(jī)組提供燃料。

3.3虛擬電廠關(guān)鍵單元數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

3.3.1 碳捕集電廠模型

在碳捕集電廠正常運(yùn)行情況下，其能量消耗由2部分構(gòu)成，分別是捕集二氧化碳的能耗 （P_t） 和凈輸出功率 （W_t） 。兩者的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下

式中： P_t1 和 P_t2 分別表示在 χ_t 時刻碳捕集設(shè)備的固定能耗與運(yùn)行能耗； W₀ 表示在 χ_t 時刻碳捕集電廠的等效出力。另外，碳捕集電廠在運(yùn)行時消耗的天然氣量與其有功出力存在二次函數(shù)關(guān)系，可表示為

式中： E_t 表示在 χ_t 時刻碳捕集電廠的能耗， Q_t 表示在 Φ_t 時刻碳捕集電廠消耗的天然氣量， Z 表示天然氣的熱

值， Δ_a，b，c 均為能耗系數(shù)。影響碳捕集電廠二氧化碳排放量 （K_t） 的因素有2個，即等效出力 （W₀） 和燃?xì)廨啓C(jī)的二氧化碳排放強(qiáng)度 （e） ，關(guān)系式為

K_t=e×W₀

碳捕集設(shè)備在 χ_t 時刻捕集的二氧化碳 （B_t） 取決于碳捕集效率 （η） 和等效出力（ （W₀） ，關(guān)系式為

B_t=η×W₀

3.3.2電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)模型

電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)的主要功能是把二氧化碳轉(zhuǎn)化成天然氣存儲起來，對提升可再生能源發(fā)電滲透率、實現(xiàn)電力系統(tǒng)的低碳減排有積極作用。電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)分為2步。第一步是水作為原材料，利用可再生能源（如風(fēng)電、光電等）產(chǎn)生的富余電能進(jìn)行水的電解處理，得到氫氣和氧氣。第二步是以第一步中生成的氫氣作為原材料，借助于碳捕集設(shè)備獲取的二氧化碳（作為催化劑）對氫氣進(jìn)行甲烷化處理，得到天然氣（甲烷）。從目前已經(jīng)投入使用的電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)運(yùn)行情況來看，該系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率在 50%～60% 。在電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)的運(yùn)行中，各環(huán)節(jié)的能源消耗和產(chǎn)出受到轉(zhuǎn)換效率影響，這里以系統(tǒng)輸出能量 （E₁） 、系統(tǒng)產(chǎn)生天然氣量 （Q₁） 、系統(tǒng)消耗二氧化碳量 （Q₂） 為例，其數(shù)學(xué)模型如下

式中： _！β 表示該系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率， R 表示輸入電功率， Δt 表示從系統(tǒng)開始運(yùn)行到時刻 χ_t 的時間長度，A表示每轉(zhuǎn)換 1m³ 天然氣需要消耗的二氧化碳量， Q₃ 表示消耗的二氧化碳量。

3.3.3天然氣系統(tǒng)模型

在含碳捕集的虛擬電廠中，天然氣系統(tǒng)的主要功能是為電廠提供發(fā)電所需的燃料，其核心設(shè)備包括壓縮機(jī)、氣源點以及配套的天然氣管道等，這里以壓縮機(jī)為例，其數(shù)學(xué)模型如下

Y=y（1-λΔp）

式中： Y 和 y 分別表示壓縮機(jī)輸出側(cè)和輸人側(cè)的天然氣流量， λ 表示壓縮機(jī)的流量系數(shù)， Δp 表示壓縮機(jī)輸入側(cè)與輸出側(cè)之間的氣壓差。

3.3.4儲氣設(shè)備模型

在含碳捕集的虛擬電廠中，儲碳設(shè)備和儲氣設(shè)備的儲量大小與虛擬電廠的運(yùn)行效率密切相關(guān)。以儲氣設(shè)備為例，由于本身存在一定的損耗，如果天然氣存儲量太小，會出現(xiàn)系統(tǒng)生成的天然氣不足以支撐燃?xì)鈾C(jī)組高功率運(yùn)行的情況，虛擬電廠的發(fā)電效率也會受到限制。因此，在含碳捕集虛擬電廠的運(yùn)行分析中，需要根據(jù)輸入量、輸出量以及自身損耗等影響因素，科學(xué)確定儲氣設(shè)備的容量5。這里以儲氣設(shè)備為例，構(gòu)建了如下數(shù)學(xué)模型，該模型的輸入信息為電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)的天然氣量，輸出信息為供給燃?xì)鈾C(jī)組的原材料量，模型的表達(dá)式如下

式中： C_t，C_2?C₃ 分別表示在 χ_t 時刻儲氣設(shè)備的儲氣量、儲氣設(shè)備的流入量，以及儲氣設(shè)備在尚未向碳捕集電廠供氣前的天然氣量； ω 表示儲氣設(shè)備的損耗系數(shù)；C₄ 和 C₅ 分別表示儲氣設(shè)備流人量的最大值和最小值；同理 C₆ 和 C₇ 分別表示儲氣設(shè)備流出量的最大值和最小值。

4結(jié)束語

在積極落實“雙碳\"行動下，虛擬電廠得到了廣泛關(guān)注。融合了碳捕集技術(shù)與電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的虛擬電廠，既可以在用電高峰時段利用碳捕集設(shè)備捕集二氧化碳并存儲起來，又能在用電低谷時段將儲存的二氧化碳重新作為甲烷化的原材料，消耗二氧化碳產(chǎn)生天然氣并存儲起來，在下一個用電高峰時段燃?xì)鈾C(jī)組消耗儲存的天然氣發(fā)電，滿足高峰時段的用電需求。這種“風(fēng)電-光伏-碳捕集電廠-電轉(zhuǎn)氣”聯(lián)合運(yùn)行結(jié)構(gòu)，提高了能量利用率，減少了污染物的排放量，符合節(jié)能減排、綠色低碳的發(fā)展需要。

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